MOS管應用中，常見的各種‘擊穿’現象

mos管也稱場效應管，這個器件有兩個電極，一個是金屬，另一個是extrinsic silicon(外在硅)，他們之間由一薄層二氧化硅分隔開。金屬極就是GATE，而半導體端就是backgate或者body。MOSFET是一種場效應晶體管(利用電場控制電流)，由金屬氧化物半導體制成，是目前使用最廣泛的生產技術。在功率MOSFET領域，碳化硅(SiC)也被使用，因為它是電源、逆變器和其他應用所需的更高性能和效率的理想選擇。東芝多年來一直致力于MOSFET的開發和生產，我們廣泛的低中高耐壓設備產品線具有低損耗、高速度、低導通電阻和小封裝等特點—適合各種應用的MOSFET。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric(柵介質)。器件有一個輕摻雜P型硅做成的backgate。這個MOS 電容的電特性能通過把backgate接地，gate接不同的電壓來說明。MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導體BACKGATE在WORK FUNCTION上的差異在電介質上產生了一個小電場。在器件中，這個電場使金屬極帶輕微的正電位，P型硅負電位。這個電場把硅中底層的電子吸引到表面來，它同時把空穴排斥出表面。這個電場太弱了，所以載流子濃度的變化非常小，對器件整體的特性影響也非常小。

在MOS管的運用中，我們常會遇到各種‘擊穿’現象，這些對器件的性能及壽命有著至關重要的影響。首先，熱擊穿是由于器件過熱導致的損壞，通常與散熱設計不當或長時間超負荷工作有關。其次，雪崩擊穿發生在電壓超過器件承受極限時，電流急劇增加，導致器件瞬間失效。再者，齊納擊穿則是一種在特定電壓下，電流急劇增大而導致的擊穿現象，它通常與器件的摻雜濃度和結構設計有關。了解并掌握這些擊穿機制，對于優化MOS管的應用、提升設備穩定性及延長使用壽命具有重要意義。因此，作為采購經理，選擇具有優良擊穿特性的MOS管，是確保設備可靠運行的關鍵。

當MOS電容的GATE相對于BACKGATE正偏置時發生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場加強了，有更多的電子從襯底被拉了上來。同時，空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高，會出現表面的電子比空穴多的情況。由于過剩的電子，硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉被稱為inversion，反轉的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續不斷升高，越來越多的電子在表面積累，channel變成了強反轉。Channel形成時的電壓被稱為閾值電壓Vt。當GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時，不會形成channel。當電壓差超過閾值電壓時，channel就出現了。mos管在電路中一般用作電子開關，在開關電源中常用MOS管的漏極開路電路，漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關斷負載電流。是理想的模擬開關器件。這就是MOS管做開關器件的原理。當然MOS管做開關使用的電路形式比較多了。

Source、Drain、Gate分別對應場效應管的三極：源極S、漏極D、柵極G(里這不講柵極GOX擊穿，只針對漏極電壓擊穿)。

1、MOSFET的擊穿有哪幾種?

先講測試條件，都是源柵襯底都是接地，然后掃描漏極電壓，直至Drain端電流達到1uA。所以從器件結構上看，它的漏電通道有三條：Drain到source、Drain到Bulk、Drain到Gate。

這個主要是Drain加反偏電壓后，使得Drain/Bulk的PN結耗盡區延展，當耗盡區碰到Source的時候，那源漏之間就不需要開啟就形成了 通路，所以叫做穿通(punch through)。那如何防止穿通呢?這就要回到二極管反偏特性了，耗盡區寬度除了與電壓有關，還與兩邊的摻雜濃度有關，濃度越高可以抑制耗盡區寬度延展，所以flow里面有個防穿通注入(APT：AnTI Punch Through)，記住它要打和well同type的specis。當然實際遇到WAT的BV跑了而且確定是從Source端走了，可能還要看是否 PolyCD或者Spacer寬度，或者LDD_IMP問題了。那如何排除呢?這就要看你是否NMOS和PMOS都跑了?POLY CD可以通過Poly相關的WAT來驗證。

MOS管被擊穿的幾種情況，1. 過電壓擊穿：當MOS管的柵極電壓超過其額定值時，可能導致柵極與源極或漏極之間的絕緣層被擊穿。這種擊穿通常是由于電路設計不當、電源電壓波動或瞬態過電壓引起的。

2. 過電流擊穿：過大的電流流過MOS管時，會使其內部的結溫迅速升高，當結溫超過材料的承受能力時，便會導致擊穿。過電流擊穿通常與負載短路、電路設計不當或MOS管選型不合適有關。

3. 靜電擊穿：靜電放電(ESD)是MOS管在運輸、存儲和使用過程中可能遇到的問題。當靜電積累到一定程度并突然放電時，會產生高電壓和大電流，從而導致MOS管被擊穿。

MOS管擊穿后是短路還是斷路，MOS管被擊穿后的狀態取決于擊穿的具體情況。一般來說，過電壓或過電流導致的擊穿可能會使MOS管內部結構受損，從而形成低阻通路，使管子呈現短路狀態。而靜電擊穿可能導致柵極與源極或漏極之間的絕緣層被完全破壞，使管子失去控制能力，呈現斷路狀態。然而，實際情況可能更為復雜，因為擊穿程度和損傷位置的不同會影響管子的最終狀態。

預防MOS管擊穿的方法及應對措施，1. 預防方法：

(1)合理設計電路，確保MOS管工作在安全的電壓和電流范圍內。

(2)選用具有合適耐壓和耐流能力的MOS管型號。

(3)在電路中加入過壓保護、過流保護和靜電保護等措施。

2. 應對措施：

(1)一旦發現MOS管被擊穿，應立即切斷電源，防止故障擴大。

(2)檢查并更換損壞的MOS管及周圍可能受損的元器件。

(3)對電路進行全面檢查，排除可能導致擊穿的隱患。

(4)在重新投入使用前，進行充分的測試和驗證，確保電路安全可靠。

在擊穿發生后，絕緣體失去了原本的絕緣性能，電流可以自由地通過。因此，雪崩擊穿是不可逆的，在絕緣體擊穿后，必須進行維修或更換才能恢復其正常工作狀態。

為了更好地理解雪崩擊穿的機理，我們可以從絕緣材料的特性和擊穿機制來分析。絕緣材料通常具有較高的電阻和電導率很低的特點，這樣可以阻止電流在絕緣材料中的傳導。然而，在高壓電場下，電子會獲得足夠的能量以克服電阻，從而導致電子雪崩的發生。電子雪崩會產生大量的自由電子和空穴，它們會相互碰撞并留下新的電子和空穴對。這個過程會導致電流在絕緣體中的傳導，最終導致絕緣體擊穿。

在實際應用中，為了防止雪崩擊穿的發生，工程師通常采取一些預防措施。一種常見的方法是增加絕緣層的厚度，以增加擊穿電壓。此外，還可以選擇具有較高擊穿電壓的絕緣材料或者通過絕緣物體的表面涂層增加其絕緣性能。此外，電力系統中還會使用過電壓保護裝置來監測并限制電壓的上升，以避免絕緣體的擊穿。

總結而言，雪崩擊穿是電力系統中重要的電氣現象，它會破壞絕緣體的絕緣性能并導致電流通過。與之相對應的是齊納擊穿，它是絕緣體中電流突破發生的現象。盡管兩者相似，但它們在擊穿機制和范圍上存在一些明顯的區別。雪崩擊穿是不可逆的，一旦發生必須進行修復或更換，因此需要采取適當的預防措施來避免其發生。

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